【摘 要】
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由于抗生素的广泛使用,残留在环境中的抗生素检出种类和频率都日益增高,引起的环境问题也愈发严重,因此研究如何有效去除抗生素迫在眉睫。光电催化协同过硫酸盐是一种新型高效耦合技术,在环境治理领域具有良好的应用前景。本文构建了基于BiVO4及其复合光阳极协同过硫酸盐的催化体系,用于降解水中抗生素的性能及机理研究,以期为光电催化协同过硫酸盐降解抗生素的实际应用提供一定理论参考。本研究首先以BiVO4为光阳极
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由于抗生素的广泛使用,残留在环境中的抗生素检出种类和频率都日益增高,引起的环境问题也愈发严重,因此研究如何有效去除抗生素迫在眉睫。光电催化协同过硫酸盐是一种新型高效耦合技术,在环境治理领域具有良好的应用前景。本文构建了基于BiVO4及其复合光阳极协同过硫酸盐的催化体系,用于降解水中抗生素的性能及机理研究,以期为光电催化协同过硫酸盐降解抗生素的实际应用提供一定理论参考。本研究首先以BiVO4为光阳极,构建了光电催化协同过硫酸盐(Photoelectrocatalytic/Persulfate,PEC/PS)体系,研究发现PS引入光电催化体系后,磺胺甲噁唑(SMX)的去除效率相较于PEC体系得到提升,且当PS为5 mM时,其降解效率达到97.3%,降解速率是PEC体系的7.05倍,优异的降解性能得益于BiVO4与PS的协同作用,且PEC/PS体系能够保持优异的降解性能,材料具有很高的稳定性。电化学测试和EPR测试结果表明,PS可以作为电子受体消耗部分电子并被激活以产生SO4·-,不仅提高了BiVO4光阳极的电荷分离能力和电荷转移速率,而且增强了BiVO4对SMX的降解效果。在PEC/PS体系中,h+是重要的活性物种,·O2-、SO4·-和·OH均参与了SMX的降解。将PEC/PS催化体系应用于在去离子水和实际水体中对混合抗生素(SMX、CIP、TC)的去除性能研究,与单一污染物相比,SMX的降解受到一定程度抑制,但是TC和CIP的去除效率高达79.6%和99.4%,尤其是在实际水体中,PEC/PS体系具有更佳的催化降解性能。利用LC-MS检测得出SMX、CIP和TC分别存在7、11和19种中间产物,其中SMX主要通过脱-SO2、磺酰胺键的裂解、氧化以及脱-NH2实现降解;CIP通过哌嗪环开环、脱氟以及脱羟基实现降解;TC主要通过脱烷基、脱羟基、开环以及脱酰胺基实现降解。基于上述工作基础,通过简单的一步水热法在BiVO4表面负载了FeOOH助催化剂以改善BiVO4表面氧化动力学,改性后的光阳极在1.23 V vs.RHE下的光电流密度为3.2mA/cm~2,是空白BiVO4的2.6倍。另外,BiVO4/FeOOH比BiVO4显示出更高的电荷转移动力学,促进的电荷转移过程能够减少光生载流子在液固界面上的重组,进而提升表面氧化动力学,降低电子和空穴的复合,使其具有增强的光电催化性能。BiVO4表面负载FeOOH后,TC的降解效果较空白BiVO4得到了提升,在反应2 h后的降解效率为88.9%。在PEC体系下,h+是重要活性物种,而·OH和·O2-共同增强了TC的降解效果。在PEC系统中引入1 mM PS之后,TC的去除效率在1 h之内可以达到99.6%,其降解速率相比于PEC系统提升了2.97倍,优异的催化降解性能得益于BiVO4/FeOOH与PS的协同作用,且BiVO4/FeOOH协同PS降解TC具有很好的重复使用性能。在PEC/PS体系下,h+是重要活性物种,·O2-、SO4·-和·OH共同参与了TC的降解。
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